Loven om elektromagnetisk induktion. Lenz og Faraday regerer

Elektrisk Og magnetiske felter genereres af de samme kilder - elektriske ladninger, så vi kan antage, at der er en vis sammenhæng mellem disse felter. Denne antagelse fandt eksperimentel bekræftelse i 1831 i den fremragende engelske fysiker M. Faradays eksperimenter. Han åbnede fænomenet elektromagnetisk induktion.

Fænomenet elektromagnetisk induktion ligger til grund for driften af ​​induktionselektriske strømgeneratorer, som tegner sig for al den elektricitet, der produceres i verden.

• Magnetisk flux

Et kvantitativt kendetegn ved processen med at ændre magnetfeltet gennem en lukket sløjfe er en fysisk størrelse kaldet magnetisk flux. Magnetisk flux (F) gennem en lukket sløjfe med areal (S) er en fysisk størrelse svarende til produktet af størrelsen af ​​den magnetiske induktionsvektor (B) med arealet af sløjfen (S) og cosinus af vinklen mellemvektor B og normal på overfladen: Φ = BS cos α. Magnetisk fluxenhed F - weber (Wb): 1 Wb = 1 T · 1 m 2.

vinkelret maksimum.

Hvis den magnetiske induktionsvektor parallel konturområdet, derefter den magnetiske flux lig med nul.

• Lov om elektromagnetisk induktion

Loven om elektromagnetisk induktion blev etableret eksperimentelt: den inducerede emk i et lukket kredsløb er lig med ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux gennem overfladen afgrænset af kredsløbet: Denne formel kaldes Faradays lov .

Den klassiske demonstration af den grundlæggende lov om elektromagnetisk induktion er Faradays første eksperiment. I den, jo hurtigere du bevæger magneten gennem spolens vindinger, desto større optræder den inducerede strøm i den, og dermed den inducerede emk.

• Lenz' regel

Afhængigheden af ​​retningen af ​​induktionsstrømmen af ​​arten af ​​ændringen i magnetfeltet gennem en lukket sløjfe blev eksperimentelt etableret i 1833 af den russiske fysiker E.H. Lenz. Ifølge Lenz' regel , modvirker den inducerede strøm, der opstår i et lukket kredsløb med dets magnetfelt, ændringen i magnetisk flux, hvorved den hedder. Mere kort kan denne regel formuleres som følger: den inducerede strøm er rettet for at forhindre årsagen til det. Lenz' regel afspejler det eksperimentelle faktum, at de altid har modsatte fortegn (minus fortegn Faradays formel).

Lenz designede en enhed, der består af to aluminiumsringe, massive og skåret, monteret på en alu-tværstang. De kunne rotere rundt om en akse som en vippe. Når en magnet blev sat ind i en solid ring, begyndte den at "løbe væk" fra magneten og drejede vippearmen tilsvarende. Da magneten blev fjernet fra ringen, forsøgte den at "indhente" magneten. Da magneten bevægede sig inde i den afskårne ring, skete der ingen bevægelse. Lenz forklarede eksperimentet ved at sige, at magnetfeltet i den inducerede strøm søgte at kompensere for ændringen i den eksterne magnetiske flux.

Lenz' styre har en dyb fysisk betydning – det udtrykker loven om energibevarelse.

Hvilken bedre måde at læse om det grundlæggende på en mandag aften? elektrodynamik. Det er rigtigt, du kan finde mange ting, der er bedre. Vi foreslår dog stadig, at du læser denne artikel. Det tager ikke meget tid, og nyttig information vil forblive i underbevidstheden. For eksempel, under en eksamen, under stress, vil det være muligt med succes at udtrække Faradays lov fra hukommelsens dybder. Da der er flere Faraday-love, lad os præcisere, at her taler vi om Faradays induktionslov.

Elektrodynamik– en gren af ​​fysikken, der studerer det elektromagnetiske felt i alle dets manifestationer.

Dette omfatter vekselvirkningen af ​​elektriske og magnetiske felter, elektrisk strøm, elektromagnetisk stråling og feltets indflydelse på ladede legemer.

Her sigter vi ikke på at overveje al elektrodynamik. Gud forbyde! Lad os se nærmere på en af ​​dens grundlæggende love, som kaldes Faradays lov om elektromagnetisk induktion.

Historie og definition

Faraday opdagede parallelt med Henry fænomenet elektromagnetisk induktion i 1831. Sandt nok lykkedes det mig at offentliggøre resultaterne tidligere. Faradays lov er meget brugt i teknologi, i elektriske motorer, transformere, generatorer og drosler. Hvad er essensen af ​​Faradays lov for elektromagnetisk induktion, kort sagt? Her er sagen!

Når den magnetiske flux ændres gennem en lukket ledende sløjfe, opstår der en elektrisk strøm i sløjfen. Det vil sige, at hvis vi snoer en ramme ud af tråd og placerer den i et skiftende magnetfelt (tag en magnet og sno den rundt om rammen), vil der strømme strøm gennem rammen!

Faraday kaldte denne strøminduktion, og selve fænomenet blev kaldt elektromagnetisk induktion.

Elektromagnetisk induktion– forekomsten af ​​en elektrisk strøm i et lukket kredsløb, når den magnetiske flux, der passerer gennem kredsløbet, ændres.

Formuleringen af ​​elektrodynamikkens grundlæggende lov - Faradays lov om elektromagnetisk induktion, udseende og lyde som følger:

EMF, der opstår i kredsløbet, er proportional med ændringshastigheden af ​​magnetisk flux F gennem kredsløbet.

Hvor kommer minus fra i formlen, spørger du? For at forklare minustegnet i denne formel er der en speciel Lenz' regel. Den siger, at minustegnet i dette tilfælde angiver retningen af ​​den fremkommende emf. Faktum er, at det magnetiske felt, der skabes af induktionsstrømmen, er rettet på en sådan måde, at det forhindrer ændringen i den magnetiske flux, der forårsagede induktionsstrømmen.

Eksempler på problemløsning

Det ser ud til at være alt. Betydningen af ​​Faradays lov er grundlæggende, fordi grundlaget for næsten hele den elektriske industri er bygget på brugen af ​​denne lov. For at hjælpe dig med at forstå hurtigere, lad os se på et eksempel på løsning af et problem ved hjælp af Faradays lov.

Og husk, venner! Hvis en opgave har sat sig fast som en knogle i halsen, og du ikke kan holde den ud længere, så kontakt vores forfattere! Nu ved du det . Vi vil hurtigt give en detaljeret løsning og afklare alle spørgsmål!

Som et resultat af talrige eksperimenter etablerede Faraday den grundlæggende kvantitative lov om elektromagnetisk induktion. Han viste, at når der er en ændring i den magnetiske induktionsflux koblet til kredsløbet, opstår der en induceret strøm i kredsløbet. Forekomsten af ​​en induktionsstrøm indikerer tilstedeværelsen af ​​en elektromotorisk kraft i kredsløbet, kaldet den elektromotoriske kraft af elektromagnetisk induktion. Faraday fastslog, at værdien af ​​emk af elektromagnetisk induktion E i er proportional med ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux:

E i = -K, (27,1)

hvor K er en proportionalitetskoefficient, der kun afhænger af valget af måleenheder.

I SI-enhedssystemet er koefficienten K = 1, dvs.

E i = -. (27,2)

Denne formel repræsenterer Faradays lov om elektromagnetisk induktion. Minustegnet i denne formel svarer til Lenz' regel (lov).

Faradays lov kan også formuleres på denne måde: den elektromagnetiske induktion emf E i i et kredsløb er numerisk lig og modsat i fortegn til ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux gennem overfladen afgrænset af dette kredsløb. Denne lov er universel: EMF E i afhænger ikke af den måde, den magnetiske flux ændres på.

Minustegnet i (27.2) viser, at en stigning i flux ( > 0) forårsager en emf E i< 0, т.е. магнитный поток индукционного тока направлен навстречу потоку, вызвавшему его; уменьшение потока ( < 0) вызывает E i >0 dvs. retningerne for den magnetiske flux af den inducerede strøm og den flux, der forårsagede den, falder sammen. Minustegnet i formlen (27.2) er et matematisk udtryk for Lenz' regel - en generel regel for at finde retningen af ​​den inducerede strøm (og derfor fortegnet og emk for induktion), udledt i 1833. Lenz' regel: den inducerede strøm er altid rettet for at modvirke årsagen, der forårsager det. Med andre ord skaber den inducerede strøm en magnetisk flux, der forhindrer ændringen i magnetisk flux, der forårsager den inducerede emk.

Induceret emk udtrykkes i volt (V). Når man tager i betragtning, at enheden for magnetisk flux er weberen (Wb), opnår vi:

Hvis det lukkede kredsløb, hvori den inducerede emk er induceret, består af N vindinger, så vil E i være lig med summen af ​​emk induceret i hver af vindingerne. Og hvis den magnetiske flux dækket af hver drejning er den samme og lig med Ф, så er den totale flux gennem overfladen af ​​N drejninger lig med (NF) - den totale magnetiske flux (fluxforbindelse). I dette tilfælde er den inducerede emk:

E i = -N×, (27,3)

Formel (27.2) udtrykker loven om elektromagnetisk induktion i generel form. Det gælder både stationære kredsløb og bevægelige ledere i et magnetfelt. Tidsderivatet af den magnetiske flux, der er inkluderet i den, består generelt af to dele, hvoraf den ene er forårsaget af ændringen i magnetisk induktion over tid, og den anden af ​​kredsløbets bevægelse i forhold til magnetfeltet (eller dets deformation). Lad os se på nogle eksempler på anvendelsen af ​​denne lov.

Eksempel 1. En lige leder med længden l bevæger sig parallelt med sig selv i et ensartet magnetfelt (Figur 38). Denne leder kan være en del af et lukket kredsløb, hvoraf de resterende dele er ubevægelige. Lad os finde den emf, der opstår i lederen.

Hvis den øjeblikkelige værdi af lederhastigheden er v, så vil den med tiden dt beskrive arealet dS = l× v×dt og vil i løbet af denne tid krydse alle linjer af magnetisk induktion, der passerer gennem dS. Derfor vil ændringen i magnetisk flux gennem kredsløbet, som inkluderer en bevægelig leder, være dФ = B n ×l× v×dt. Her er B n komponenten af ​​magnetisk induktion vinkelret på dS. Ved at indsætte dette i formel (27.2) får vi værdien af ​​emf:

E i = B n × l× v. (27.4)

Retningen af ​​den inducerede strøm og fortegnet for EMF bestemmes af Lenz's regel: Den inducerede strøm i kredsløbet har altid en sådan retning, at det magnetiske felt, det skaber, forhindrer ændringen i den magnetiske flux, der forårsagede denne inducerede strøm. I nogle tilfælde er det muligt at bestemme retningen af ​​den inducerede strøm (polariteten af ​​den inducerede emk) i henhold til en anden formulering af Lenz's regel: den inducerede strøm i en bevægelig leder er rettet på en sådan måde, at den resulterende Ampere-kraft er modsat hastighedsvektoren (den bremser bevægelsen).

Lad os se på et numerisk eksempel. En lodret leder (bilantenne) med en længde l = 2 m bevæger sig fra øst til vest i jordens magnetfelt med en hastighed v= 72 km/t = 20 m/s. Lad os beregne spændingen mellem lederens ender. Da lederen er åben, vil der ikke være strøm i den, og spændingen i enderne vil være lig med den inducerede emk. I betragtning af, at den vandrette komponent af den magnetiske induktion af Jordens felt (dvs. komponenten vinkelret på bevægelsesretningen) for mellembreddegrader er lig med 2 × 10 -5 T, finder vi ved hjælp af formel (27.4)

U = Bn×l× v= 2×10 -5 ×2×20 = 0,8×10 -3 V,

de der. omkring 1 mV. Jordens magnetfelt er rettet fra syd til nord. Derfor finder vi, at emk er rettet fra top til bund. Det betyder, at den nederste ende af ledningen vil have et højere potentiale (ladet positivt), og den øvre ende vil have et lavere potentiale (ladet negativt).

Eksempel 2. Der er et lukket ledningskredsløb i et magnetfelt, gennemtrængt af en magnetisk flux F. Lad os antage, at denne flux falder til nul og beregne den samlede mængde ladning, der passerer gennem kredsløbet. Den øjeblikkelige værdi af emk under forsvinden af ​​den magnetiske flux er udtrykt ved formel (27.2). Derfor er den øjeblikkelige værdi af strømmen ifølge Ohms lov

hvor R er kredsløbets samlede modstand.

Mængden af ​​afgiftsbeløb er lig med

q = = - = . (27,6)

Det resulterende forhold udtrykker loven om elektromagnetisk induktion i formen fundet af Faraday, som ud fra sine eksperimenter konkluderede, at mængden af ​​ladning, der passerer gennem kredsløbet, er proportional med det samlede antal magnetiske induktionslinjer, der krydses af lederen (dvs. magnetisk flux Ф 1 -Ф 2), og er omvendt proportional med modstanden af ​​kredsløbet R. Relation (27.6) giver os mulighed for at definere enheden for magnetisk flux i SI-systemet: weber - magnetisk flux, når den falder til nul, en ladning på 1 C passerer gennem et kredsløb koblet med den med en modstand på 1 Ohm.

Ifølge Faradays lov er forekomsten af ​​en elektromagnetisk induktions-emk også mulig i tilfælde af et stationært kredsløb placeret i et vekslende magnetfelt. Lorentz-styrken virker dog ikke på stationære ladninger, så i dette tilfælde kan den ikke være årsagen til forekomsten af ​​induceret emf. For at forklare den inducerede emk i stationære ledere foreslog Maxwell, at ethvert vekslende magnetfelt exciterer et elektrisk hvirvelfelt i det omgivende rum, hvilket er årsagen til fremkomsten af ​​induceret strøm i lederen. Cirkulationen af ​​styrkevektoren for dette felt langs en hvilken som helst fast kontur L af lederen er EMF for elektromagnetisk induktion:

E i = = -. (27,7)

Intensitetslinjerne i det elektriske hvirvelfelt er lukkede kurver, og derfor udføres arbejde, der ikke er nul, når en ladning bevæger sig i et elektrisk hvirvelfelt langs en lukket kontur. Dette er forskellen mellem et elektrisk hvirvelfelt og et elektrostatisk felt, hvis spændingslinjer begynder og slutter ved ladningerne.

Fedun V.I. Forelæsningsnoter om fysik Elektromagnetik

Foredrag 26.

Elektromagnetisk induktion. Faradays opdagelse .

I 1831 gjorde M. Faraday en af ​​de vigtigste fundamentale opdagelser inden for elektrodynamik - fænomenet blev opdaget elektromagnetisk induktion .

I et lukket ledende kredsløb, når den magnetiske flux (vektorflux), der er dækket af dette kredsløb, ændres, opstår der en elektrisk strøm.

Denne strøm kaldes induktion .

Udseendet af induktionsstrøm betyder, at når magnetfeltet ændres

Faraday opdagede, at en induceret strøm kan produceres på to forskellige måder, som bekvemt kan forklares ved hjælp af et diagram.

1. metode: flytning af rammen i magnetfeltet i en stationær spole (se fig. 26.1).

2. metode: ændring af magnetfeltet , skabt af spolen , på grund af dens bevægelse eller på grund af ændringer i strømstyrken i den (eller begge sammen). Ramme mens den er ubevægelig.

I begge disse tilfælde galvanometeret vil indikere tilstedeværelsen af ​​induktionsstrøm i rammen .

Retningen af ​​induktionsstrømmen og følgelig tegnet på emf. induktion er bestemt af Lenz' regel.

Lenz' regel.

Induktionsstrømmen er altid rettet på en sådan måde, at den modvirker årsagen, der forårsager den. .

Lenz' regel udtrykker en vigtig fysisk egenskab - et systems ønske om at modvirke ændringer i dets tilstand. Denne egenskab kaldes elektromagnetisk inerti .

Lov om elektromagnetisk induktion (Faradays lov).

Uanset årsagen til ændringen i den magnetiske flux dækket af et lukket ledende kredsløb, der opstår i emk-kredsløbet. induktion er givet ved formlen

Karakteren af ​​elektromagnetisk induktion.

For at afklare de fysiske årsager, der fører til fremkomsten af ​​emf. Ved induktion betragter vi to tilfælde efter hinanden.

1. Kredsløbet bevæger sig i et konstant magnetfelt.

handle kraft

Den elektromotoriske kraft, der skabes af dette felt, kaldes elektromotorisk induktionskraft . I vores tilfælde

Minustegnet er placeret her, fordi tredjepartsfeltet rettet mod den positive bypass af kredsløbet bestemt af den rigtige skrueregel. Arbejde er stigningshastigheden i konturarealet (stigning i areal pr. tidsenhed), derfor

Hvor
- stigning af magnetisk flux gennem kredsløbet.

Det opnåede resultat kan generaliseres til tilfældet med vilkårlig orientering af magnetfeltinduktionsvektoren i forhold til konturplanet og til enhver kontur, der bevæger sig (og/eller deformeres) på en vilkårlig måde i et konstant uensartet eksternt magnetfelt.

Så excitationen af ​​emf. induktion, når kredsløbet bevæger sig i et konstant magnetfelt, forklares ved virkningen af ​​den magnetiske komponent af Lorentz-kraften, proportional med
, som opstår, når lederen bevæger sig.

2. Kredsløbet er i hvile i et vekslende magnetfelt.

Den eksperimentelt observerede forekomst af en induktionsstrøm indikerer, at der i dette tilfælde opstår uvedkommende kræfter i kredsløbet, som nu er forbundet med et tidsvarierende magnetfelt. Hvad er deres natur? Svaret på dette grundlæggende spørgsmål blev givet af Maxwell.

Da lederen er i hvile, hastigheden af ​​den bestilte bevægelse af elektriske ladninger
og derfor en magnetisk kraft proportional med
, er også lig nul og kan ikke længere sætte ladninger i gang. Men udover den magnetiske kraft er den eneste kraft, der kan virke på en elektrisk ladning, det elektriske felt, lig med . Derfor er det tilbage at konkludere det induceret strøm er forårsaget af det elektriske felt , der opstår, når det eksterne magnetfelt ændrer sig over tid. Det er dette elektriske felt, der er ansvarlig for fremkomsten af ​​emf. induktion i et stationært kredsløb. Ifølge Maxwell, et tidsvarierende magnetfelt genererer et elektrisk felt i det omgivende rum. Forekomsten af ​​et elektrisk felt er ikke forbundet med tilstedeværelsen af ​​et ledende kredsløb, som kun gør det muligt at detektere eksistensen af ​​dette felt ved forekomsten af ​​en induktionsstrøm i det.

Formulering lov om elektromagnetisk induktion , givet af Maxwell, er en af ​​de vigtigste generaliseringer af elektrodynamik.

Enhver ændring i magnetfeltet over tid exciterer et elektrisk felt i det omgivende rum .

Den matematiske formulering af loven om elektromagnetisk induktion i Maxwells forståelse er:

Cirkulation af spændingsvektoren af dette felt langs enhver fast lukket kontur bestemmes af udtrykket

Hvor - magnetisk flux, der trænger ind i kredsløbet .

Det partielle afledte tegn, der bruges til at angive ændringshastigheden af ​​magnetisk flux, indikerer, at kredsløbet er stationært.

Flow vektor gennem en overflade afgrænset af en kontur , er lige
Derfor kan udtrykket for loven om elektromagnetisk induktion omskrives som følger:

Dette er en af ​​ligningerne i Maxwells ligningssystem.

At cirkulationen af ​​det elektriske felt exciteret af et tidsvarierende magnetfelt ikke er nul betyder, at det pågældende elektriske felt ikke potentiale.Det er ligesom magnetfeltet hvirvel.

Generelt det elektriske felt kan repræsenteres af vektorsummen af ​​de potentielle (felt af statiske elektriske ladninger, hvis cirkulation er nul) og hvirvel (på grund af et tidsvarierende magnetfelt) elektriske felter.

På grundlag af de fænomener, vi har overvejet, som forklarer loven om elektromagnetisk induktion, er der intet mærkbart generelt princip, der tillader os at fastslå fællesheden af ​​deres fysiske natur. Derfor bør disse fænomener betragtes som uafhængige, og loven om elektromagnetisk induktion - som et resultat af deres fælles handling. Så meget desto mere overraskende er det, at emf. Induktion i et kredsløb er altid lig med ændringshastigheden af ​​magnetisk flux gennem kredsløbet. I tilfælde hvor feltet også ændres og placeringen eller konfigurationen af ​​kredsløbet i magnetfeltet, emf. induktion skal beregnes ved hjælp af formlen

Udtrykket på højre side af denne lighed repræsenterer den totale afledte af den magnetiske flux med hensyn til tid: det første led er forbundet med ændringen i magnetfeltet over tid, det andet med kredsløbets bevægelse.

Vi kan sige, at i alle tilfælde er den inducerede strøm forårsaget af den samlede Lorentz-kraft

Hvilken del af den inducerede strøm er forårsaget af den elektriske og hvilken magnetisk komponent af Lorentz-kraften afhænger af valg af referencesystem.

Om Lorentz- og Ampere-styrkernes arbejde.

Af selve definitionen af ​​arbejde følger det, at en kraft, der virker i et magnetfelt på en elektrisk ladning og vinkelret på dens hastighed, ikke kan udføre arbejde. Men når en leder med strøm bevæger sig og bærer ladninger med sig, virker Ampere-kraften stadig. Det er elektriske motorer et klart bevis på.

Denne modsigelse forsvinder, hvis vi tager i betragtning, at bevægelsen af ​​en leder i et magnetfelt uundgåeligt ledsages af fænomenet elektromagnetisk induktion. Derfor, sammen med Ampere-kraften, udføres arbejde på elektriske ladninger også af den elektromotoriske induktionskraft, der opstår i lederen. Således består det samlede arbejde af magnetfeltkræfterne af det mekaniske arbejde forårsaget af Ampere-kraften og arbejdet af emk induceret af lederens bevægelse. Begge job er lige store og modsatte i fortegn, så deres sum er nul. Faktisk er arbejdet udført af amperekraften under elementær bevægelse af en leder med strøm i et magnetfelt lig med
, i samme tid emf. induktion virker

derefter fuldt arbejde
.

Amperekræfter virker ikke på grund af energien fra det eksterne magnetfelt, som kan forblive konstant, men på grund af emk-kilden, der opretholder strømmen i kredsløbet.

Faradays lov om elektromagnetisk induktion.

Vi har undersøgt tilstrækkeligt detaljeret tre forskellige, ved første øjekast, varianter af fænomenet elektromagnetisk induktion, forekomsten af ​​en elektrisk strøm i et ledende kredsløb under påvirkning af et magnetfelt: når en leder bevæger sig i et konstant magnetfelt; når magnetfeltkilden bevæger sig; når magnetfeltet ændrer sig over tid. I alle disse tilfælde er loven om elektromagnetisk induktion den samme:
Emf for elektromagnetisk induktion i kredsløbet er lig med ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux gennem kredsløbet taget med det modsatte fortegn

uanset årsagerne til en ændring i dette flow.
Lad os præcisere nogle detaljer i ovenstående formulering.
 Først. Den magnetiske flux gennem kredsløbet kan ændre sig på enhver måde, det vil sige funktionen Ф(t) behøver ikke altid være lineær, men kan være hvad som helst. Hvis den magnetiske flux ændres i henhold til en lineær lov, så er den inducerede emk i kredsløbet konstant, i dette tilfælde værdien af ​​tidsintervallet Δt kan være vilkårlig, afhænger værdien af ​​relation (1) i dette tilfælde ikke af værdien af ​​dette interval. Hvis flowet ændres på en mere kompleks måde, så er størrelsen af ​​emk ikke konstant, men afhænger af tid. I dette tilfælde skal det betragtede tidsinterval betragtes som uendeligt, hvorefter forhold (1) fra et matematisk synspunkt bliver til den afledede af den magnetiske fluxfunktion med hensyn til tid. Matematisk er denne overgang fuldstændig analog med overgangen fra gennemsnitlig til øjeblikkelig hastighed i kinematik.
 Anden. Begrebet vektorfeltstrøm gælder kun for en overflade, så det er nødvendigt at afklare, hvilken overflade der diskuteres i lovens formulering. Imidlertid er magnetfeltfluxen gennem enhver lukket overflade nul. For to forskellige overflader, der hviler på konturen, er de magnetiske fluxer derfor de samme. Forestil dig en strøm af væske, der strømmer ud af et hul. Uanset hvilken overflade du vælger, hvis grænse er hullets grænser, vil strømmene gennem dem være de samme. En anden analogi er passende her: hvis arbejdet af en kraft langs en lukket kontur er nul, så afhænger arbejdet af denne kraft ikke af banens form, men bestemmes kun af dens start- og slutpunkter.
 Tredje. Minustegnet i lovens formulering har en dyb fysisk betydning; faktisk sikrer det opfyldelsen af ​​loven om bevarelse af energi i disse fænomener. Dette tegn er et udtryk for Lenz' regel. Måske er dette det eneste tilfælde i fysik, hvor et tegn fik sit eget navn.
Som vi har vist, er den fysiske essens af fænomenet elektromagnetisk induktion i alle tilfælde den samme og er kort formuleret som følger: et vekslende magnetfelt genererer et elektrisk hvirvelfelt. Fra dette feltsynspunkt udtrykkes loven om elektromagnetisk induktion gennem det elektromagnetiske felts karakteristika: cirkulationen af ​​den elektriske feltstyrkevektor langs ethvert kredsløb er lig med ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux gennem dette kredsløb

I denne fortolkning af fænomenet er det væsentligt, at det elektriske hvirvelfelt opstår, når magnetfeltet ændrer sig, uanset om der er en egentlig lukket leder (kredsløb), hvori strømmen opstår eller ej. Dette rigtige kredsløb kan spille rollen som en enhed til at detektere det inducerede felt.
Til sidst understreger vi endnu en gang, at elektriske og magnetiske felter er relative, det vil sige, at deres karakteristika afhænger af valget af referencesystemet, hvori deres beskrivelse er givet. Denne vilkårlighed i valget af et referencesystem, i valget af en beskrivelsesmetode fører dog ikke til nogen modsætninger. De målte fysiske størrelser er invariante og afhænger ikke af valget af referencesystem. For eksempel afhænger kraften, der virker på et ladet legeme fra det elektromagnetiske felt, ikke af valget af referenceramme. Men når det er beskrevet i nogle systemer, kan det tolkes som Lorentz-kraften, i andre kan en elektrisk kraft "føjes" til den. Tilsvarende (selv som en konsekvens) afhænger den inducerede emf i kredsløbet (styrken af ​​den inducerede strøm, mængden af ​​frigivet varme, mulig deformation af kredsløbet osv.) ikke af valget af referencesystem.
Som altid kan og bør den tilvejebragte valgfrihed bruges - der er altid mulighed for at vælge den beskrivelsesmetode, som du bedst kan lide - som den enkleste, mest visuelle, mest kendte mv.

Fænomen elektromagnetisk induktion blev opdaget af en fremragende engelsk fysiker M. Faraday i 1831. Det består i forekomsten af ​​elektrisk strøm i et lukket ledende kredsløb, når det ændrer sig over tid magnetisk flux gennembore konturen.

Magnetisk flux Φ gennem området S konturen kaldes værdien

Hvor B– modul magnetisk induktionsvektor, α er vinklen mellem vektoren og normalen til konturplanet (fig. 1.20.1).

Definitionen af ​​magnetisk flux er let at generalisere til tilfældet med et uensartet magnetfelt og et ikke-plant kredsløb. SI-enheden for magnetisk flux kaldes Weber (Wb). En magnetisk flux lig med 1 Wb skabes af et magnetfelt med en induktion på 1 T, der i normal retning trænger ind i en flad kontur med et areal på 1 m2:

Faraday har eksperimentelt fastslået, at når den magnetiske flux ændres i et ledende kredsløb, opstår der en induceret emf ind, svarende til ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux gennem overfladen afgrænset af kredsløbet, taget med et minustegn:

Denne formel kaldes Faradays lov .

Erfaring viser, at den induktionsstrøm, der exciteres i en lukket sløjfe, når den magnetiske flux ændres, altid er rettet på en sådan måde, at det magnetiske felt, den skaber, forhindrer ændringen i den magnetiske flux, der forårsager induktionsstrømmen. Denne udtalelse, formuleret i 1833, kaldes Lenz' regel .

Ris. 1.20.2 illustrerer Lenz's regel ved at bruge eksemplet med et stationært ledende kredsløb, der er i et ensartet magnetfelt, hvis induktionsmodul stiger med tiden.

Lenz' regel afspejler det eksperimentelle faktum, at ind og altid har modsatte fortegn (minustegnet i Faradays formel). Lenz' regel har en dyb fysisk betydning - den udtrykker loven om energibevarelse.

En ændring i den magnetiske flux, der trænger ind i et lukket kredsløb, kan forekomme af to årsager.

1. Den magnetiske flux ændres på grund af kredsløbets eller dets deles bevægelse i et tidskonstant magnetfelt. Dette er tilfældet, når ledere, og med dem gratis ladningsbærere, bevæger sig i et magnetfelt. Forekomsten af ​​induceret emk forklares af Lorentz-styrkens virkning på gratis ladninger i bevægelige ledere. Lorentz kraft spiller i dette tilfælde rollen som en ekstern kraft.

Lad os som et eksempel betragte forekomsten af ​​en induceret emk i et rektangulært kredsløb placeret i et ensartet magnetfelt vinkelret på kredsløbets plan. Lad en af ​​siderne af konturen være af længde l glider med fart langs de to andre sider (fig. 1.20.3).

Lorentz-styrken virker på de gratis ladninger i denne del af kredsløbet. En af komponenterne i denne kraft forbundet med transportabel hastighed af ladninger, rettet langs lederen. Denne komponent er vist i fig. 1.20.3. Hun spiller rollen som en udefrakommende kraft. Dens modul er ens

Ifølge definitionen af ​​EMF

For at etablere tegnet i formlen, der forbinder ind, og det er nødvendigt at vælge den normale retning og den positive retning for at krydse konturen, der er i overensstemmelse med hinanden i henhold til den rigtige gimlet-regel, som det er gjort i fig. 1.20.1 og 1.20.2. Hvis dette gøres, så er det nemt at nå frem til Faradays formel.

Hvis modstanden af ​​hele kredsløbet er ens R, så vil der strømme en induceret strøm igennem den lig med jeg ind = ind / R. I løbet af tiden Δ t på modstand R vil skille sig ud Joule varme

Spørgsmålet opstår: hvor kommer denne energi fra, da Lorentz-kraften ikke virker! Dette paradoks opstod, fordi vi kun tog hensyn til arbejdet fra én komponent af Lorentz-styrken. Når en induktionsstrøm løber gennem en leder placeret i et magnetfelt, vil en anden komponent af Lorentz-kraften, forbundet med i forhold hastigheden for bevægelse af ladninger langs en leder. Denne komponent er ansvarlig for udseendet Ampere kræfter. For tilfældet vist i fig. 1.20.3 er Ampere kraftmodulet lig med F A= I B l. Amperes kraft er rettet mod lederens bevægelse; derfor udfører den negativt mekanisk arbejde. I løbet af tiden Δ t dette job EN pels er lige

En leder, der bevæger sig i et magnetfelt, gennem hvilket en induceret strøm løber, opleves magnetisk bremsning . Det samlede arbejde udført af Lorentz-styrken er nul. Joule-varme i kredsløbet frigives enten på grund af arbejdet fra en ekstern kraft, som holder lederens hastighed uændret, eller på grund af et fald i lederens kinetiske energi.

2. Den anden årsag til ændringen i den magnetiske flux, der trænger ind i kredsløbet, er ændringen i tid af magnetfeltet, når kredsløbet er stationært. I dette tilfælde kan forekomsten af ​​induceret emk ikke længere forklares med Lorentz-kraftens virkning. Elektroner i en stationær leder kan kun drives af et elektrisk felt. Dette elektriske felt genereres af et tidsvarierende magnetfelt. Arbejdet i dette felt, når man flytter en enkelt positiv ladning langs et lukket kredsløb, er lig med den inducerede emk i en stationær leder. Derfor er det elektriske felt, der genereres af det skiftende magnetfelt er ikke potentiel . Han kaldes vortex elektriske felt . Begrebet et elektrisk hvirvelfelt blev introduceret i fysikken af ​​den store engelske fysiker J. Maxwell i 1861

Fænomenet elektromagnetisk induktion i stationære ledere, som opstår, når det omgivende magnetfelt ændrer sig, er også beskrevet af Faradays formel. Således fænomenerne induktion i bevægelige og stationære ledere fortsæt på samme måde, men den fysiske årsag til forekomsten af ​​den inducerede strøm viser sig at være forskellig i disse to tilfælde: i tilfælde af bevægelige ledere skyldes den inducerede emk Lorentz-kraften; i tilfælde af stationære ledere er den inducerede emk en konsekvens af virkningen på frie ladninger af det elektriske hvirvelfelt, der opstår, når magnetfeltet ændres.